我們知道，自然界的生物采用一套通用密碼來儲(chǔ)存遺傳信息。美妙的DNA長鏈中，每三個(gè)化學(xué)堿基（核苷酸）組成一個(gè)“密碼”，編寫一個(gè)特定的氨基酸或一個(gè)終結(jié)蛋白質(zhì)合成的信號(hào)。

代表四種化學(xué)堿基的四個(gè)字母——A、T、C、G——排列組合出64種密碼子，為20種必需氨基酸編碼。一種氨基酸對(duì)應(yīng)于不止一個(gè)密碼子，在合成生物學(xué)家眼中，這種冗余可以得到優(yōu)化。

頂尖學(xué)術(shù)期刊《自然》今日上線的一篇論文中，英國劍橋MRC分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室的Jason Chin教授與其同事就在大腸桿菌中實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)。他們重新編碼了一個(gè)大腸桿菌菌株的全部基因組，只用59個(gè)密碼子就合成出所有的必需氨基酸，代表終止信號(hào)的密碼子也從3個(gè)壓縮為2個(gè)。而“節(jié)省”下來的密碼子，可以為將來在活細(xì)胞內(nèi)生成非天然的“定制蛋白質(zhì)”提供合成空間。

打個(gè)粗略的比方，這項(xiàng)工作就好像在生物體的基因組中做了全文查找替換，把特定的幾個(gè)詞全部替換為它們的同義詞。在64個(gè)三聯(lián)密碼子中，TAA、TAG和TGA都代表終止信號(hào)，研究人員找出基因組開放閱讀框中的TAG密碼子，全部替換為同樣表達(dá)終止的TAA。而在編碼必需氨基酸的61個(gè)密碼子中，有6個(gè)密碼子用來編碼絲氨酸，研究人員把其中的兩個(gè)（TCC和TCA）替換為它們的同義密碼子（AGC和AGT）。

▲按照設(shè)計(jì)，原大腸桿菌中的三個(gè)密碼子被替換為它們的同義密碼子（圖片來源：《自然》）

然而，說來簡(jiǎn)單，實(shí)際上在研究人員實(shí)現(xiàn)替換的大腸桿菌細(xì)胞內(nèi)，DNA信息“文本”很大，共由400萬對(duì)堿基寫成，經(jīng)過重新編碼設(shè)計(jì)，被“同義詞”替換的密碼子共有18218個(gè)。

為了在基因組中實(shí)現(xiàn)高效替換，Chin教授與其同事采用了一種巧妙的拆解和替代的方法。他們把大腸桿菌4Mb的基因組先隔斷為8大段，再每段隔為4~5個(gè)中片段，進(jìn)而分解為長度10kb左右的小片段。

▲整個(gè)基因組被分為37個(gè)片段，逐段被人工合成的DNA片段替換（圖片來源：《自然》）

接下來，該研究團(tuán)隊(duì)充分運(yùn)用了他們此前開發(fā)的一種方法，以人工合成的DNA序列來取代大腸桿菌基因組中的小片段。這種名為REXER的方法，結(jié)合了CRISPR/Cas9基因編輯手段，降低了編輯DNA的成本，同時(shí)提高了精度。

在REXER的基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種名為GENESIS的基因組合成路線，通過不斷迭代，逐步替換基因組中其他片段，最終將8個(gè)重編碼的大片段裝配成完整的基因組，創(chuàng)建出純粹為人造基因組的大腸桿菌，這也是迄今為止科學(xué)家得到的基因組替換規(guī)模最大的生物體。

測(cè)序結(jié)果顯示，新合成的大腸桿菌“Syn61”中，三個(gè)目標(biāo)密碼子全部被同義密碼子取代。同時(shí)，這些缺少了特定密碼子的大腸桿菌仍能維持生命，可以在培養(yǎng)普通大腸桿菌的培養(yǎng)基中生長，說明重新編寫成功了！

移除密碼子還只是改寫生命藍(lán)圖的開始。在Jason Chin教授看來，釋放出的多余密碼子在未來可以被用于許多其他途徑，例如，讓相應(yīng)密碼子的轉(zhuǎn)運(yùn)RNA改去接附其他的非天然氨基酸，從而在細(xì)胞或生物體內(nèi)合成新的多肽或蛋白質(zhì)，也將為工業(yè)應(yīng)用中構(gòu)建更廣泛的蛋白質(zhì)打開大門。

參考資料：

[1] Julius Fredens et al., (2019) Total synthesis of Escherichia coli with a recoded genome. Nature. DOI: 10.1038/s41586-019-1192-5

[2] Kaihang Wang et al., (2016) Defining synonymous codon compression schemes by genome recoding. Nature. DOI: 10.1038/nature20124